Распределенные системы управления

Резкое уменьшение габаритов современных электронных устройств и повышение их функциональной насыщенности во многом изменило идеологию проектирования крупных систем. В настоящее время наблюдается переход от интегрированных систем, в которых один мощный процессор управляет большим количеством пассивных периферийных устройств, к распределенным - когда каждый элемент системы является активным устройством.

В первом случае в системе используется мощный процессор с большим количеством пассивных устройств, а передача информации осуществляется по параллельной шине(например VME, PCI, ISA, PC/104 и т.д.).

Такая организация системы имеет следующие недостатки:

• Hеобходимость применения мощных процессоров. Поскольку все задачи решаются одним процессором при большом количестве периферийных устройств и плат ввода-вывода, то он должен иметь большую производительность. Применение нескольких процессоров, работающих на одной шине без использования стандартных протоколов, усложняет разработку программ.
• Большие трудности, связанные с расширением системы. При расширении или модернизации требуется замена конструктива и модификация или полная замена программного обеспечения.
• Hизкая надежность. Количество соединений на современной производительной шине достигает 100 и более. Замыкание или обрыв одной из них приводит к отказу всей системы. Ситуация дополнительно осложняется применением разъемов с большим количеством контактов. При дублировании в этом случае требуется применение такой же дополнительной шины, что резко увеличивает габариты, вес и стоимость всей системы, но не решает проблему. Поскольку электронные блоки системы при таком подходе сосредоточены в одном месте, то к ним приходится прокладывать большое количество силовых и сигнальных цепей (от датчиков и исполнительных устройств), что при больших габаритах системы также снижает надежность и увеличивает стоимость (большой расход кабеля).
• Большие сроки разработки. При разработке системы заново создаются аппаратная и программная части. Применение стандартных конструктивов, плат и блоков облегчает, но не решает проблему.

Стыковка элементов распределенной системы управления осуществляется с помощью cтандартных сетевых интерфейсов на аппаратном уровне и с помощью стандартных протоколов - на программном. Данный подход стал активно применяться в промышленности с середины 80-х годов с появлением малогабаритных компьютеров и контроллеров, обладающих невысокой стоимостью. В настоящее время даже активные датчики и исполнительные устройства стали снабжаться сетевыми интерфейсами.

Элементом системы может быть плата универсального контроллера, содержащая стандартный сетевой интерфейс или промышленный контроллер с набором модулей или плат (не более 5-ти), стыкующихся через локальную шину (VME, PC/104 и т.д.). Элементы системы, соединенные стандартными сетевыми интерфейсами, могут находиться в одном конструктиве или могут быть распределены по объекту.

Распределенные системы обладают следующими преимуществами:

• Легкая расширяемость. Cтандартные протоколы верхнего и нижнего уровней позволяют строить системы с автоконфигурацией, а также обеспечивают совместимость с оборудованием, производимым другими фирмами. Например для CAN-интерфейса можно использовать спецификацию CiA/DS 201-207, CAN Physical Layer for Industrial Applications и т.д.
• Высокая надежность. Для подключения к сетевому интерфейсу требуется небольшое количество проводов и используются разъемы с небольшим количеством контактов. Например для подключения к CAN или Profibus необходимо 3 провода - два сигнальных и один общий, если использовать дополнительный канал для резервирования, то требуется 6 проводов и соответствующее количество контактов разъема. При таком количестве сигналов легко обеспечивается гальваническая развязка элементов системы. Ряд сетевых интерфейсов осуществляет коррекцию ошибок на аппаратном уровне, для передачи и приема используются дифференциальные приемопередатчики, которые подавляют синфазные помехи. Поскольку в такой системе все элементы активны, то легко обеспечивается дублирование функций другими элементами системы.
• Малые сроки разработки. Наибольший выигрыш достигается при разработке крупных систем, поскольку большая часть аппаратных средств и программного обеспечения не требует модификации.
• Легкость тестирования и отладки. Поскольку все элементы системы активны, легко обеспечить самодиагностику и поиск неисправности.
• Возможность распределения системы по объекту. Система может находиться в одном конструктиве, а также может быть распределена по объекту, что позволяет уменьшить затраты на монтаж и на использование медного провода.
• Использование компьютеров и контроллеров меньшей мощности. Задача распределяется по активным элементам системы - метод декомпозиции, активно используется программистами для разработки эффективных программ. Поскольку при решении задачи используется несколько процессоров, каждый из них может иметь небольшую производительность.

Стационарные системы

В стационарных системах чаще всего используются компьютеры в стандарте IEEE-996 (офисный и промышленные варианты), компьютеры и контроллеры в Евростандарте. В распределённой системе управления с использованием, например, Ethernet- и CAN-интерфейса, узлы и электронные блоки могут быть скомпонованы в одном или нескольких конструктивах разного формата, что обеспечивает гибкую архитектуру системы. Например, в системе с большим количеством датчиков и исполнительных устройств распределение системы по объекту позволяет существенно уменьшить количество кабелей, повышая её надёжность и простоту эксплуатации.

На рисунке ниже приведена структурная схема одноуровневой системы управления c использованием платы CANPC527D (ISA шина, 2 оптоизолированных CAN-канала) и серии микропроцессорных контроллеров 167-3U (Евростандарт, формат 3U). В случае использования микропроцессорных контроллеров без дополнительных модулей ввода-вывода, задняя объединительная панель евроконструктива используется только для подключения напряжения питания контроллеров.